The removal of iron and phosphate from culture medium by Rhodococcus ruber SiAl

Resumen Técnico: Eliminación Selectiva de Hierro y Fosfato por Rhodococcus ruber SiAl

Planteamiento del Problema
La acumulación de metales pesados y fosfato por parte de microorganismos es un mecanismo crítico para la biorremediación de aguas contaminadas. Si bien se conocen diversas bacterias capaces de sorber metales o eliminar fosfatos, existe la necesidad de identificar cepas capaces de acumulación selectiva, particularmente de hierro y fosfato, que son contaminantes comunes en aguas naturales e industriales. El hierro es abundante en la corteza terrestre y prevalente en desechos industriales, mientras que el exceso de fosfato provoca la eutrofización. Aunque se conocen mecanismos como la biosorción, la bioacumulación, la precipitación y la quelación (vía sideróforos o metaloproteínas), la interrelación entre la eliminación de metales y fosfato por cepas bacterianas específicas sigue estando insuficientemente explorada. Este estudio aborda la capacidad específica de la bacteria Rhodococcus ruber SiAl, aislada de una aleación de aluminio-silicio corroída, para eliminar selectivamente hierro, magnesio, manganeso y fosfato disueltos de medios de cultivo.

Metodología
El estudio utilizó la cepa R. ruber SiAl, mantenida en agar R2A e identificada mediante secuenciación de genoma completo (acceso GenBank GCA_053668425.1). La cepa fue cultivada en un medio líquido definido que contenía concentraciones específicas de hierro (Fe³⁺), magnesio (Mg²⁺), manganeso (Mn²⁺) y fosfato (Pi). Los experimentos se llevaron a cabo bajo condiciones aeróbicas a 28 °C con agitación.

Para evaluar la acumulación, los investigadores midieron:

1. Concentraciones residuales de metales y fosfato en el sobrenadante del cultivo mediante espectroscopía de absorción atómica (para Fe, Mg, Mn) y ensayos colorimétricos (para Pi).
2. Contenido de biomasa de estos elementos tras la cosecha y el lavado de las células.
3. Fracciones de fósforo intracelular, distinguiendo entre fosfato inorgánico (Pi), polifosfato ácido soluble (polyP1) y polifosfato ácido insoluble (polyP2).
4. Análisis genómico utilizando KEGG GhostKOALA, RAST y antiSMASH para identificar grupos de genes relacionados con la síntesis de sideróforos, el transporte de hierro (p. ej., fecBCDE, efeUOB, sitABC) y la homeostasis del manganeso (mntH, mntR).

Resultados Clave
El estudio demostró una selectividad distintiva en las capacidades de acumulación de R. ruber SiAl:

• Acumulación de Hierro: La cepa exhibió una alta eficiencia en la eliminación de hierro. Cuando se cultivó en un medio con 2.0 mM de Fe³⁺, hasta el 99% del hierro fue eliminado de la solución y asociado a la biomasa. Esta eliminación fue independiente de la concentración inicial de fosfato (0.1–6 mM).
• Acumulación de Fosfato: La cepa eliminó cantidades significativas de fosfato, pero la eficiencia fue modulada por la presencia de metales específicos. En presencia de 2 mM de Fe³⁺, se eliminó el 75% del fosfato inicial. Por el contrario, la eliminación cayó al 20% con 2 mM de Mg²⁺ y al 10% con 2 mM de Mn²⁺.
• Magnesio y Manganeso: La cepa mostró una acumulación mínima de magnesio (≤5% de eliminación). Crucialmente, no eliminó los iones de manganeso del medio; los niveles de manganeso permanecieron inalterados, y la presencia de sales de manganeso (2 mM) de hecho inhibió el crecimiento bacteriano y redujo el rendimiento de la biomasa.
• Composición Intracelular: El fosfato acumulado en la biomasa se encontraba principalmente en forma de fosfato inorgánico (Pi), no de polifosfatos. El contenido de polifosfato (polyP1 y polyP2) fue bajo, lo que sugiere que los polifosfatos inorgánicos no son el mecanismo principal de eliminación de fosfato en esta cepa.
• Perspectivas Genómicas: El análisis del genoma respaldó los hallazgos experimentales:
  • Hierro: Se identificaron dos grupos de genes de biosíntesis de sideróforos (análogos a la heterobactina y la coelichelina) y múltiples sistemas de transporte de hierro (incluyendo transportadores ABC y sistemas específicos de Fe²⁺/Fe³⁺), lo que explica la alta captación de hierro.
  • Fosfato: El genoma contiene el operón pst (transporte de alta afinidad) y genes putativos pit (transporte de baja afinidad), consistentes con la acumulación de fosfato observada.
  • Manganeso: La presencia del transportador mntH y el regulador mntR sugiere un sistema de homeostasis activo que reprime la captación de manganeso bajo concentraciones altas, evitando la toxicidad.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen que Rhodococcus ruber SiAl es un candidato prometedor para la biorremediación de aguas contaminadas con hierro y fosfato disueltos. La capacidad de la cepa para precipitar selectivamente el hierro (probablemente como fosfato de hierro u óxidos de hierro) mientras excluye el manganeso la distingue de otras bacterias de hierro-manganeso conocidas, como Sphaerotilus montanus, que eliminan manganeso pero no hierro.

El estudio postula que los procesos metabólicos específicos de R. ruber SiAl podrían contribuir a la formación natural de fosforitas, incluyendo los depósitos minerales fosfáticos marinos. Además, la cepa representa una herramienta potencial para las tecnologías de tratamiento de agua destinadas a eliminar simultáneamente hierro y fosfato disueltos. La investigación destaca que, si bien la cepa acumula fosfato, el proceso no es impulsado por el almacenamiento de polifosfato intracelular, sino por la formación de complejos metal-fosfato o la absorción directa en las estructuras celulares. Los hallazgos sugieren que la interacción entre la captación de hierro y la eliminación de fosfato es un rasgo específico de esta cepa, lo que justifica una mayor investigación sobre los mecanismos subyacentes para su aplicación práctica en la purificación del agua.